電解鋁廠(chǎng)鋁灰處理工藝現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張含博

(沈陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110001)

0 前言

在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，鋁灰是不可避免的副產(chǎn)品。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每生產(chǎn)1 t普通鋁錠，大約產(chǎn)生5～15 kg鋁灰。隨著近年來(lái)液態(tài)原鋁產(chǎn)能的不斷增加，鋁灰也隨之成比例增加。鋁灰通常被認(rèn)為是固體廢物堆積在廠(chǎng)區(qū)，但由于鋁灰中含有大量鋁資源，此舉不僅造成了資源大量浪費(fèi)，同時(shí)也造成了環(huán)境污染。因此，尋找經(jīng)濟(jì)有效的方法對(duì)鋁灰進(jìn)行處理，不僅可以提高電解鋁行業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，還可以實(shí)現(xiàn)資源的有效循環(huán)利用，有助于電解鋁行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 鋁灰概述

1.1 鋁灰的來(lái)源

在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，鋁液通過(guò)壓縮空氣形成的負(fù)壓吸入出鋁抬包內(nèi)，再由抬包運(yùn)輸車(chē)送往鑄造車(chē)間鑄造成重熔用普通鋁錠等產(chǎn)品。鋁液在鑄造前需在混合爐中進(jìn)行凈化熔煉，為了吸附鋁液中的有害夾雜物、降低鋁液表面熔渣粘度以及防止鋁液氧化，在鋁液熔煉過(guò)程中會(huì)加入一些添加劑，導(dǎo)致鋁液表面產(chǎn)生一定量的熔渣，此熔渣在鑄造前需要用人工或機(jī)械方式從混合爐中扒出，扒出的熔渣呈松散的灰渣狀，所以被稱(chēng)為鋁灰。

1.2 鋁灰的成分組成及分類(lèi)

鋁灰的成分組成與鋁液中的有害雜質(zhì)及鋁液鑄造熔煉時(shí)使用的添加劑有很大的關(guān)系。對(duì)于電解鋁行業(yè)，鋁灰的主要成分包括金屬鋁、氧化鋁、K/Na/Ga/Mg等的氯化物、Fe/Si/Mg等的氧化物以及微量氟化物等[1]。根據(jù)鋁灰是否進(jìn)行金屬鋁回收，鋁灰分為一次鋁灰和二次鋁灰。

1)一次鋁灰。從混合爐內(nèi)扒出后，沒(méi)有進(jìn)行金屬鋁回收的鋁灰稱(chēng)為一次鋁灰，金屬鋁含量一般為20%～70%，顏色呈灰白色，故又稱(chēng)白鋁灰，如圖1所示。

圖1 一次鋁灰

2)二次鋁灰。對(duì)一次鋁灰進(jìn)行金屬鋁回收后，剩余的細(xì)灰稱(chēng)為二次鋁灰，金屬鋁含量一般為12%～20%，顏色呈黑灰色，故又稱(chēng)黑鋁灰，如圖2所示。

圖2 二次鋁灰

1.3 鋁灰對(duì)環(huán)境的危害

鋁灰與潮濕的空氣或水會(huì)生成甲烷、氨氣等有毒有害物質(zhì)[2]。若將鋁灰堆棄在廠(chǎng)區(qū)對(duì)自然環(huán)境危害很大。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保要求越來(lái)越嚴(yán)，新舊鋁灰問(wèn)題已逐步被各地環(huán)保部門(mén)所關(guān)注，各電解鋁廠(chǎng)也開(kāi)始逐步重視并研究鋁灰處理工藝等問(wèn)題。

2 電解鋁廠(chǎng)鋁灰處理工藝的常用方法

鋁灰處理工藝包括從鋁灰中回收金屬鋁和二次鋁灰的綜合利用。二次鋁灰的綜合利用工藝技術(shù)主要包括利用二次鋁灰生產(chǎn)氯化鋁、硫酸鋁、Sialon粉、清水陶瓷磚等材料及回收氧化鋁等[3-6]。但由于該類(lèi)工藝技術(shù)或多或少存在運(yùn)行成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、副產(chǎn)品需要專(zhuān)業(yè)處理等問(wèn)題，目前大多處于研究階段，國(guó)內(nèi)電解鋁廠(chǎng)尚未對(duì)二次鋁灰進(jìn)行有效的資源化利用[7]。而從鋁灰中回收金屬鋁工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)近年來(lái)的研究，已逐漸趨于成熟，并投入工業(yè)化生產(chǎn)。從鋁灰中回收金屬鋁工藝技術(shù)分為熱處理回收法、冷處理回收法及熱冷灰處理相結(jié)合回收法。

2.1 熱處理回收法

所謂熱處理回收法，是對(duì)鑄造熔煉產(chǎn)生的熱鋁灰直接進(jìn)行金屬鋁回收處理。該方法種類(lèi)非常多，目前我國(guó)電解鋁廠(chǎng)應(yīng)用較多的有炒灰回收法、回轉(zhuǎn)窯回收法、傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐回收法、全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)等。

2.1.1 炒灰回收法

炒灰回收法是將熱鋁灰混合一定量的鹽類(lèi)熔劑后放置在一個(gè)傾斜的鐵鍋中，利用鋁灰自身的熱量和一些添加劑氧化放熱使鋁灰溫度升高，采用人工或機(jī)械方式進(jìn)行翻炒，翻炒之后液態(tài)鋁沉聚到鐵鍋底部，從而使金屬鋁分離出來(lái)，如圖3所示。該法操作簡(jiǎn)單、投資少，但因?yàn)槭浅ㄩ_(kāi)式操作，會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵，操作環(huán)境惡劣，同時(shí)污染環(huán)境。目前該方法只在小型電解鋁廠(chǎng)還有應(yīng)用，而且需要配套相應(yīng)的除塵設(shè)施。

圖3 炒灰回收法

2.1.2 回轉(zhuǎn)窯回收法

回轉(zhuǎn)窯回收法與炒灰回收法原理大致相同，利用機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不停地旋轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)窯代替人工翻炒，使鋁灰被反復(fù)翻滾，并有熱源對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部鋁灰進(jìn)行加熱，使鋁灰中的液態(tài)鋁沉聚到回轉(zhuǎn)窯底部，從而實(shí)現(xiàn)金屬鋁與鋁灰的分離，如圖4所示。該法具有自動(dòng)化程度高，便于操作，處理能力大等優(yōu)點(diǎn)，加之整套設(shè)備密閉性較好，且配置除塵系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較好；但該法需要熱源加熱鋁灰，生產(chǎn)成本比炒灰法高。目前該方法主要應(yīng)用在中小型電解鋁廠(chǎng)。

圖4 回轉(zhuǎn)窯回收法

2.1.3 傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐回收法

傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐回收法與回轉(zhuǎn)窯回收法相似，如圖5所示。該法一方面將回轉(zhuǎn)爐傾斜一定角度，因此提高了爐內(nèi)物料的熱傳導(dǎo)；另一方面為了保證爐內(nèi)還原性氣氛及降低熔鹽的使用量，傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐的燒嘴和煙道均設(shè)置在爐門(mén)上，避免吸入爐外空氣；同時(shí)傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐兼有可熔化鋁削的作用，因此該法廣泛應(yīng)用于鋁加工廠(chǎng)，電解鋁廠(chǎng)由于其投資較大應(yīng)用很少。

圖5 傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐回收法

以上所述炒灰回收法、回轉(zhuǎn)窯回收法及傾動(dòng)式回轉(zhuǎn)爐回收法，需要在鋁灰中添加鹽類(lèi)熔劑，其作用是利用鹽類(lèi)熔劑侵蝕液態(tài)鋁表面的氧化膜，增加液態(tài)鋁與鋁灰之間的界面張力，有助于液態(tài)鋁與鋁灰的分離，并且還可以大幅減少液態(tài)鋁的氧化，提高金屬鋁的回收率。但鹽類(lèi)熔劑的加入同樣提高了生產(chǎn)成本，并且產(chǎn)生了大量的鹽餅，使得鋁灰后續(xù)處理難度加大，引發(fā)新的環(huán)境問(wèn)題。

2.1.4 全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)

全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)一般由高速灰處理機(jī)、冷灰投入機(jī)、移送翻轉(zhuǎn)裝置、熱灰冷卻破碎機(jī)、篩分機(jī)、螺旋輸送機(jī)、電控系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、熱灰箱傾翻裝置、鋁灰鍋、鋁錠鍋等組成，如圖6所示。目前該生產(chǎn)線(xiàn)已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)各電解鋁廠(chǎng)。

圖6 全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備

2.1.4.1 工藝原理

其原理是對(duì)混合爐內(nèi)剛剛扒出的鋁灰進(jìn)行攪拌，利用液態(tài)鋁和固態(tài)灰比重不同，使液態(tài)鋁沉聚到鋁灰鍋底部，攪拌分離后的液態(tài)鋁進(jìn)入鋁錠鍋，固態(tài)灰移送至冷卻破碎機(jī)，將其冷卻至60 ℃以下并破碎，最后篩選分級(jí)。該方法的前提是從混合爐內(nèi)剛剛扒出的鋁灰需處于發(fā)熱發(fā)光的燃燒狀態(tài)，溫度處于700～900 ℃。

2.1.4.2 工藝流程

首先將鋁灰從混合爐扒入渣箱中，然后用叉車(chē)將渣箱送至鋁灰處理間，通過(guò)熱灰箱傾翻裝置將渣箱中的鋁灰傾翻至鋁灰鍋中，再用叉車(chē)將鋁灰鍋送入高速灰處理機(jī)中，通過(guò)攪拌將液態(tài)鋁和熱殘灰分離，液態(tài)鋁進(jìn)入鋁錠鍋并回爐重熔，固體殘灰通過(guò)移動(dòng)翻轉(zhuǎn)裝置送至熱灰冷卻破碎機(jī)，將其冷卻至60 ℃左右并破碎，再進(jìn)入篩分機(jī)篩分為三種產(chǎn)品，即15 mm以上的大顆粒、2～15 mm的中顆粒及2 mm以下的細(xì)顆粒。大顆粒入袋，后期回爐熔煉；中顆粒先存入料箱，再通過(guò)螺旋輸送機(jī)和冷灰投入機(jī)輸送至熱鋁灰攪拌分離裝置進(jìn)行調(diào)溫循環(huán)使用；細(xì)顆粒裝袋，后續(xù)綜合利用。其工藝流程如圖7所示。

圖7 全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程圖

2.1.4.3 工藝優(yōu)點(diǎn)

1)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度高，除高速灰處理機(jī)攪拌出鋁水處需要人工控制，其余冷卻破碎、篩分及輸送等步驟全部自動(dòng)進(jìn)行，節(jié)省人力。

2)生產(chǎn)線(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境好，容易發(fā)生粉塵的地方，全部做成封閉結(jié)構(gòu)，粉塵飛揚(yáng)少。同時(shí)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)置除塵系統(tǒng)，在熱鋁灰攪拌、固體殘灰翻倒、冷卻破碎、篩分等各個(gè)容易產(chǎn)生煙塵的部分設(shè)置有可靠的收塵罩，將傳統(tǒng)鋁灰處理過(guò)程中“散、亂、污”的無(wú)組織煙塵排放，變?yōu)橛薪M織收集排放。

3)利用篩分出的中顆粒鋁灰調(diào)節(jié)熱鋁灰溫度，一方面可以降低過(guò)熱鋁灰的溫度，提高因?yàn)殇X灰過(guò)熱而影響攪拌葉片、冷卻破碎機(jī)等設(shè)備的使用壽命；另一方面可以進(jìn)一步回收中顆粒鋁灰中的金屬鋁，提高金屬鋁的回收率。

4)生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)成本低，利用鋁灰自身熱量實(shí)現(xiàn)鋁的回收，無(wú)需添加鹽類(lèi)熔劑及化石燃料。

5)生產(chǎn)線(xiàn)處理時(shí)間短，只需對(duì)鋁灰進(jìn)行一次性處理，金屬鋁回收率在85%以上。

6)設(shè)備布局緊湊，安裝用地少。

2.2 冷處理回收法

所謂冷處理回收法，是對(duì)鑄造熔煉產(chǎn)生的熱鋁灰自然冷卻后再進(jìn)行金屬鋁回收處理，主要包括重選法、電選法及磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)[8]。重選法和電選法分別從貴金屬礦石分選和再生金屬領(lǐng)域借鑒而來(lái)，但由于鋁灰的特殊原因，目前重選法和電選法處理鋁灰處于研究階段；而磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)處理鋁灰技術(shù)比較成熟，目前在電解鋁廠(chǎng)應(yīng)用較多。

2.2.1 磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)的原理

磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)的原理是利用鋁灰中金屬鋁比其他組分硬度大，通過(guò)球磨機(jī)打破鋁灰中金屬鋁與其他物質(zhì)的連接體結(jié)構(gòu)，使得金屬鋁得到單體解離，以顆粒狀態(tài)存在，其他組分以細(xì)灰狀態(tài)存在，然后將研磨后的鋁灰送入振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，從而將鋁灰篩分成大顆粒、小顆粒及細(xì)灰。該方法設(shè)備投資低，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)成本低，技術(shù)成熟，目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)很多電解鋁廠(chǎng)應(yīng)用。

2.2.2 磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)的設(shè)備及工藝流程

磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)主要由破碎機(jī)、球磨機(jī)、振動(dòng)篩、除塵系統(tǒng)等組成，如圖8所示。其工藝流程為：冷鋁灰先送入破碎機(jī)進(jìn)行破碎，然后經(jīng)輸送設(shè)備喂入球磨機(jī)進(jìn)行研磨，再送入振動(dòng)篩進(jìn)行篩分，最終分為大顆粒、中顆粒和細(xì)灰三種產(chǎn)品。大顆粒裝袋，直接回爐熔煉；中顆粒裝袋，通過(guò)坩堝熔煉后回爐；細(xì)灰裝袋，后續(xù)綜合利用。其工藝流程如圖9所示。

圖8 磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備

圖9 磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程

2.3 熱冷灰處理相結(jié)合回收法

熱冷灰處理相結(jié)合回收法一般是全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)與磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)相結(jié)合，通過(guò)皮帶輸送機(jī)、緩沖倉(cāng)、振動(dòng)給料機(jī)等設(shè)施將全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)與磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)相結(jié)合，從而進(jìn)一步回收全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)剩余細(xì)灰中的金屬鋁，同時(shí)也能處理電解鋁廠(chǎng)以前積壓的冷鋁灰。該方法自動(dòng)化程度高，金屬鋁回收率高，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境好，既能處理熱鋁灰，也能處理冷鋁灰，操作靈活可靠，特別適用于以前有積壓冷鋁灰的大型電解鋁廠(chǎng)。

其工藝流程為：將剛剛扒出的熱鋁灰經(jīng)全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)處理，分成4種產(chǎn)品；鋁水形成鋁錠后直接回爐重熔；15 mm以上的大顆粒，裝袋后直接回爐熔煉；2～15 mm的中顆粒用于調(diào)溫循環(huán)使用；小于2 mm的細(xì)顆粒經(jīng)高傾角皮帶輸送機(jī)輸送至緩沖料倉(cāng)，緩沖料倉(cāng)的冷灰通過(guò)下料管進(jìn)入格篩料斗，同時(shí)鋁廠(chǎng)內(nèi)以前積壓的冷灰也在此處進(jìn)入格篩料斗；再通過(guò)振動(dòng)給料機(jī)及帶式輸送機(jī)輸送至球磨機(jī)，經(jīng)球磨機(jī)研磨后直接進(jìn)入振動(dòng)篩，最后通過(guò)振動(dòng)篩分分成3種粒度，大于4目的大顆粒，裝袋后直接回爐熔煉；4～16目的合格中顆粒，裝袋后通過(guò)坩堝熔煉后回爐；小于16目的細(xì)灰，裝袋后綜合利用。全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)與磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)相結(jié)合的設(shè)備配置及工藝流程如圖10和圖11所示。

圖10 全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)與磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)相結(jié)合的設(shè)備配置

圖11 全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)與磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)相結(jié)合的工藝流程

3 電解鋁廠(chǎng)鋁灰處理工藝的發(fā)展趨勢(shì)

受到資源及環(huán)境等因素的制約，未來(lái)的電解鋁行業(yè)必然朝著低能耗、低污染及低成本等方向發(fā)展。

因此，未來(lái)從鋁灰中回收金屬鋁工藝技術(shù)將主要圍繞在減少鹽類(lèi)熔劑、低能耗、提高金屬鋁回收率等方面發(fā)展，鋁灰的綜合利用工藝技術(shù)將主要圍繞改進(jìn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低運(yùn)行成本、減少二次污染等方面發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

鋁灰是一種具有綜合利用價(jià)值的可再生資源，將其有效地資源化利用，對(duì)電解鋁行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。從鋁灰中回收金屬鋁工藝技術(shù)已逐漸趨于成熟，并投入工業(yè)化生產(chǎn)，尤其是全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)和磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)已在我國(guó)電解鋁廠(chǎng)廣泛應(yīng)用。另外，一些電解鋁廠(chǎng)從自身實(shí)際情況出發(fā)，將全自動(dòng)鋁灰處理生產(chǎn)線(xiàn)與磨碎篩分生產(chǎn)線(xiàn)相結(jié)合，不但提高了金屬鋁的回收率，而且也能處理廠(chǎng)區(qū)內(nèi)以前積壓的冷鋁灰。但二次鋁灰的綜合利用工藝技術(shù)大多處于研究階段，國(guó)內(nèi)電解鋁廠(chǎng)尚未對(duì)二次鋁灰進(jìn)行有效地資源化利用。